衛星鋰離子蓄電池組管理單元EMC設計

王亦楠，韓獻堂，謝 晨

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

新型能源系統衛星平臺是世界衛星技術發展的方向。一種采用電推進技術替代傳統的燃料推進技術的衛星，可以將衛星的有效質量從傳統的40%提高到90%，是衛星設計技術的革命。在通信衛星領域，采用新型能源系統的衛星平臺將帶來多個方面的優勢。為此，我國開展了新型能源系統衛星的研制，衛星在軌服務壽命達到10年以上，儲能電源采用鋰離子蓄電池組。鋰離子蓄電池組管理單元用于對每節單體電池進行電池電壓采集、均衡控制和Bypass控制，使鋰離子電池單體電壓保持在預期的范圍內，保證每節單體電池在衛星壽命期間性能的一致性，使其滿足衛星在軌壽命的使用要求。

本文針對鋰離子蓄電池組管理單元自身的電路及結構特點，分析EMC干擾源及干擾傳導的機理，并根據干擾的產生方式，定制對應措施；再進一步根據仿真，定性地得出電池組管理單元的電磁輻射情況。

1 鋰離子電池組管理單元電磁兼容分析

鋰離子電池組管理單元中包含二次電源電路、Bypass功率開關電路、下位機電路和測控轉接電路。在星載電子設備的EMC測試中[1-2]，一般包括四個方面的內容，即輻射發射測試、傳導發射測試、傳導敏感度、輻射敏感度。

輻射發射測試實質：測試產品中兩種等效天線所產生的輻射信號，第一種是等效天線信號環路，環路是產生的輻射等效天線，這種輻射產生的源頭是環路中流動著的電流信號(通常為正常工作信號，它是一種差模信號，如時鐘信號及其諧波)；第二種是等效天線模型是單極天線或者偶極子天線，這些被等效成單極天線或者偶極子天線的導體通常是產品中的電纜或其他尺寸較長的導體中流過的共模電流信號。

傳導發射的測試實質：大部分的電源端口傳導發射問題產生于共模電流，分析其路徑和大小有著極其重要的意義。

傳導敏感度測試實質：實質上是測試產品的設計是否能避免瞬態共模電流(ESD電流)流過產品，若不流過，則證明其設計合格。

輻射敏感度測試實質：在PCB中，信號從源驅動端出發，傳輸到負載端，再從負載端將信號回流傳回至源端形成信號電流的閉環，即每個信號的傳送都包含一個回路。輻射敏感度即為測試測試每個回路感應的電流大小。

2 鋰離子電池組管理單元EMC設計

管理單元包括四部分電路，根據電路自身的特點分別進行了EMC干擾源的識別，并有針對性的采取相應措施進行EMC設計，以滿足衛星在軌壽命的使用要求。

2.1 二次電源電路

二次電源電路主要由DC/DC、EMI濾波器、磁保持繼電器及熔斷器組成。

DC/DC選用100 V轉±15 V和+5 V的厚膜電源模塊。該模塊可以為+5 V提供不低于2 A的電流，滿足1553B通信模塊的功率需求。

EMI濾波器選用專門配置的濾波器模塊，以減小DC/DC對母線的反射紋波。濾波器安裝時靠近DC/DC與模塊的入口，從而降低傳導輻射的強度。濾波器的安裝位置如圖1所示，C代表去耦電容。

圖1 濾波器接入位置

2.2 Bypass功率開關電路

Bypass功率開關電路由兩只磁保持繼電器及其控制電路組成。兩只繼電器分別串接入功率電源的正、負線上。兩只繼電器均使用三對觸點作為主功率通路，使用另外一對觸點搭接通斷狀態的回傳信號電路。

繼電器放置在離EMI源盡量遠的地方，如開關電源、時鐘輸出、總線驅動等等。繼電器下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線，在本產品中無法避免，考慮到線圈的方向問題，要使場強方向和線圈的平面平行，保證穿過線圈的磁力線最少。

2.3 下位機電路

下位機電路由單片機、J61580總線控制器、模數轉換器和多路開關等構成。

(1)單片機最小單元電路

單片機最小單元電路，主要由單片機、RAM、ROM、復位電路、時鐘電路、地址譯碼電路等組成。

時鐘電路EMC要求：一方面使時鐘源離單板邊緣距離盡量大，另一方面使時鐘輸出到負載走線盡量短。

(2)J61580總線電路

總線通訊引擎模塊采用多芯片封裝工藝，主要由一個協議處理芯片和兩塊收發器芯片構成。內置了4 K×16 bit的RAM，一般應用時無需外掛SRAM，集成了雙通道首發器、協議處理器、存儲器管理、處理器接口邏輯等。具有總線控制器(BC)/遠程終端(RT)/監聽終端(MT)三大功能。

J61580內的兩塊收發器分別連接變壓器B3226，形成熱備份的主備接口。該主備接口與星上1553B的總線的主備接口保持一致。

(3)A/D及多路開關電路

采用AD574作為模數轉換器。AD574是美國AD公司生產的12位高速逐次逼近型模／數變換器，片內自備時鐘基準源，變換時間快(25 μs)，數字量輸出具有三態緩沖器，可直接與單片機的總線接口連接。

采用Intersil公司的HS1-0546RH和HS1-0548RH作為模擬量的多路選擇開關，每只HS-0546具有16路選擇功能，每只HS-0548具有8路選擇功能，需要4片多路開關完成所有模擬量的采集。

可能引起EMI問題的因素在電路上主要有以下幾個方面：

(a)開關有可能在各種回路中直接形成輻射騷擾或者通過耦合傳遞到電源線上進行輻射發射。

(b)功率開關開通和關斷時產生的dU/dt也是開關電源的主要騷擾源，它作為一個電壓源，并通過各種耦合路徑使電源產品的電源輸入/輸出線產生共模輻射。

(c)二極管整流電路產生的電磁騷擾：一般主電路中整流二極管產生的反向恢復電流遠比續流二極管反向恢復電流小得多，由此也可引起頻段覆蓋范圍較大的騷擾。

針對本產品，嘗試在開關電路上加入磁珠以作EMI防護，如圖2所示。

圖2 磁珠接入位置

對于數模轉換部分，在PCB板布局的時候需要將模擬電路部分與數字電路部分分開布局，并且在數模轉換器附近增加接地焊盤，減少數模電路之間的相互串擾。其布局如圖3所示。

圖3 接地螺釘接入位置

2.4 測控轉接電路

測控轉接電路分為兩個部分，一是主要用來調配主備份的遙測通道、主備份遙控及回采電路、主備份OCP控制信號轉接電路等信號轉接電路，二是Bypass所需的功率主備轉接電路。

通過狹縫和開槽的輻射泄露：由于狹縫和開槽的尺寸遠小于電磁波的波長，故此部分的泄露也十分微弱(因為信號太微弱，沒有通過FEKO仿真出帶有殼體的增益)。

線纜上的信號串擾是形成傳導干擾的主要原因，因為線纜長度較長，且相互間沒有屏蔽，改進方法是將信號及此信號的RTN線做成雙絞線。

3 仿真與結果

管理單元結構如圖4所示，由結構、電連接器、PCB板等組成。管理終端外部設置有6個安裝孔，與鋰離子電池結構采用一體化安裝，如圖4安裝完成后，所有PCB板及其他電子元器件采用防塵罩遮蓋。

圖4 管理單元結構示意圖

結構采用鎂鋁合金，能夠起到相當好的屏蔽作用，但結構的一側只用防塵罩遮蓋，可考慮使用薄金屬蓋板或者對非金屬蓋板進行導電漆噴涂。

從電磁場輻射的原理分析，運用FEKO電磁仿真軟件，PCB板上頻率最高為1 MHz。

對位于結構內的下位機PCB板的電磁輻射性質進行仿真(圖5)，在相對介電常數為4.2的介質板上覆銅線，以代表電路布線，這些銅線形成了若干的單極子天線或者環天線。饋電采用0～5 V(圖6)，頻率設置為1 MHz，在距離PCB板1 m處(規范要求)，輻射場的場分布如圖7所示，其最大值為5.2×10－5V/m，遠低于要求值10－3V/m(某平臺電磁兼容性技術要求)，符合要求。

圖5 結構與PCB板仿真示意圖

圖6 饋電示意圖

圖7 輻射場強度示意圖

4 結論

根據理論分析和仿真結果來看，影響管理單元的電磁干擾分為兩類，即傳導干擾和輻射干擾。對于輻射干擾，由于管理單元模塊內部大部分為直流信號，所以其干擾影響有限，且頻率都比較低，波長遠大于結構的尺寸，難以形成高頻的干擾，也不易向外傳播。線纜上的信號串擾是形成傳導干擾的主要原因，因為線纜長度較長，且相互間沒有屏蔽，改進方法是在電池內部將信號及此信號的電池電壓采樣線做成雙絞線，采用措施后，可以滿足衛星電子設備的電磁兼容要求。

[1]王志成.星載電子設備試驗的電磁干擾三要素分析[J].無線電工程，2009，39(6)：49-51.

[2]張興國，周新發，江耿豐，等.某星載電子設備電磁干擾問題分析與探討[J].航天控制，2014，32(4)：86-90.